Физические свойства древесины и коры

 

К физическим свойствам относятся такие свойства древесины, которые наблюдаются при взаимодействии ее с внешней средой и не приводят к изменению ее состава и целостности, т.е. выявляются путем осмотра, взвешивания, измерения, высушивания.

 

 

Внешний вид древесины

 

Цвет. Под цветом древесины понимают определенное зрительное ощущение, зависящее от спектрального состава отраженного ею светового потока. Древесина обладает избирательной способностью поглощать световые излучения, и отраженный от нее световой поток имеет иной спектральный состав, чем падающий.

Обычно для характеристики цвета пользуются словесными описаниями и понятиями, в основе которых лежат определенные зрительные образы. Методами, характеризующими любые цветовые оттенки, занимается наука о цветовых измерениях - колориметрия. Характеристики цвета древесины (цветовой тон, чистота, светлота) можно установить, используя фотоэлектрические колориметры или атлас цветов, представляющих собой альбом с большим количеством накрасок.

К исследуемой поверхности подбирают наиболее близкую по цвету накраску атласа. И далее по номеру накраски в таблицах находят все количественные цветовые характеристики исследуемой поверхности. Основное вещество, из которого состоит древесина - целлюлоза почти белого цвета. Все многообразие цветовых оттенков древесины придают ей вещества, заключенные в полостях клеток или пропитывающие их стенки, красящие и дубильные смолы и продукты их окисления.

Большое влияние на цвет древесины оказывают климатические условия. Обычно древесина всех хвойных пород умеренного пояса окрашена бледно. Тропические же породы имеют яркую окраску. Древесина многих пород изменяет цвет при выдержке под влиянием воздуха и света; после сушки и обработки паром почти все породы приобретают желтовато-бурый цвет. Изменение цвета древесины чаще всего указывает на поражение ее грибами.

Цвет - одна из важнейших характеристик внешнего вида древесины, которую учитывают при выборе пород для внутренней отделки помещений, изготовлении мебели, музыкальных инструментов, способность направленно отражать световой поток.

Блеск. Под блеском древесины понимают ее способность направленно отражать световой поток. Наибольшим блеском обладают зеркально-гладкие поверхности, отражающие световой поток строго направленно. Древесина не имеет идеально гладкой поверхности и поэтому обычно не обладает блеском. Она чаще всего равномерно во все стороны рассеивает световой поток.

Способностью направленно отражать световые лучи обладают лишь сердцевинные лучи, которые имеют небольшие структурные неровности и создают блики, отсветы. Радиальные поверхности, где площадь, занимаемая сердцевинными лучами наибольшая, также создают блеск (особенно у клена, ильма, бука, дуба, белой акации). Древесина бархатного дерева имеет шелковистый блеск.

Поверхности даже самым тщательным образом обработанные, почти всех пород древесины, приближаются к матовым и могут характеризоваться коэффициентом диффузного отражения (белизной). Исследования проводятся с помощью блескомера ФБ-2.Чем больше белизна, тем выше измеряемые показатели блеска.

Текстура. При перерезании анатомических элементов на поверхности древесины получается рисунок, который и носит название текстуры. Выразительность и художественность этого рисунка зависит от породы древесины и ее строения. Хвойные породы имеют сравнительно простое строение и текстура у них довольно однообразная; у лиственных пород текстура значительно богаче.

Богатство текстуры определяется шириной годичных слоев, разницей в окраске между ранней и поздней древесиной, наличием сердцевинных лучей, крупных сосудов, неправильным расположением волокон (волнистое и путаное). Красивую текстуру хвойные породы дают на тангенциальном разрезе из-за резкого различия в цвете ранней и поздней древесины. У лиственных пород создают красивый рисунок на радиальном разрезе сердцевинные лучи таких пород древесины, как бук, ильм, клен, дуб, а на тангенциальном разрезе - в древесине грецкого ореха, ясеня, бархатного дерева, дуба, ильма. Исключительно красивый рисунок наблюдается в древесине наростов (капов) со свилеватым (путаным) расположением волокон.

Текстура определяет декоративную ценность древесины, что особое значение имеет при изготовлении мебели. Отделка поверхности древесины лаками, красителями, мастиками способствует более выразительному восприятию текстуры, подчеркивает, оттеняет ее отдельные элементы.

Макроструктура. Для оценки по внешнему виду древесины, ее качества, используют следующие характеристики макроструктуры:

а) ширина годичных слоев;

б) содержание поздней древесины в годичных слоях;

в) число годичных слоев в 1 см и др.

Последние две характеристики определяют по ГОСТ 16483.18-72. Чем, выше содержание поздней древесины, тем больше ее плотность, а, следовательно, выше ее механические свойства.

 

 

Влажность древесины и коры

Вода в древесине. В растущем дереве вода необходима для его жизни и роста, в срубленной древесине наличие воды нежелательно, т.к. приводит к ряду отрицательных явлений. В большинстве случаев при использовании древесины воду из нее удаляют с целью улучшения качества материалов и готовых изделий.

Для количественной характеристики содержания воды в древесине используют показатель, который называется влажностью. Под влажностью (абсолютной) понимают выраженное в процентах отношение массы воды к массе абсолютно сухой древесины:

 

,                                     (2)

 

где т - начальная масса образца древесины, г; т₀ - масса образца абсолютно сухой древесины, г.

Иногда, например, для дров используют показатель

 

.

 

Влажность древесины измеряют прямыми или косвенными методами. Наибольшее распространение получил сушильно-весовой метод по ГОСТ 16483.7-71, в соответствии с которым с погрешностью до 0,1% можно определить влажность проб образцов, выпиленных из испытуемых пиломатериалов или заготовок (материалов). Он кратко заключается в следующем. Пробы образцов взвешиваются на технических (с точностью 0,01 г) или аналитических (с точностью 0,001 г) весах. Затем высушивают в сушильном шкафу с автоматической стабилизацией температуры на уровне (103 ± 2) ^оС до тех пор, пока не будет достигнуто постоянное значение массы, устанавливаемое контрольными взвешиваниями. Образцы должны находиться в бюксах, а охлаждаться в эксикаторах - в сосудах (с хлористым кальцием) с сухим воздухом. Основной недостаток прямого метода измерения влажности заключается в том, что продолжительность процедуры равна 8-10 часов.

Этого недостатка лишены косвенные электрические методы. В нашей промышленности в последние годы получили широкое распространение кондуктометрические электровлагомеры типа ИВ-1 и ВПК-12 (НПО «Блок», г. Архангельск). Эти переносные приборы предназначены для оперативного контроля влажности как в цехе (первый), так и в лесосушильных камерах в процессе сушки древесины (второй). Их основные характеристики приведены ниже (табл. 2).

За рубежом для этих целей используются индуктивные и емкостные электровлагомеры, позволяющие определять влажность древесины без разрушающего контроля, т.е. без внедрения электродов датчика в древесину - по контакту с поверхностью материала. К этому типу влагомеров можно отнести электровлагомер «Viva-32» известной австрийской фирмы «Ваничек».

Влажность в растущем дереве распределена неравномерно как по радиусу, так и по высоте ствола. У хвойных пород влажность заболони в 3-4 раза выше влажности ядра и спелой древесины. Так, у сосны и ели Ленинградской области среднегодовая влажность заболони оказалась 112 и 122%,влажность ядра и спелой древесины - 33 и 38%.

У сплавной древесины этих же пород средняя влажность заболони соответственно была равна 161 и 173 %, а ядра и спелой древесины - 34 и 35%. У лиственных пород, древесина как ядра, так и заболони, существенных отличий в распределении влажности не имеет. При этом влажность ядровой древесины у таких пород как дуб, вяз может быть выше, чем у хвойных, достигая 70-80%, а иногда и более. Влажность коры в свежесрубленном состоянии находится в пределах 58-120%, причем меньшая величина - у березы, а большая у сосны.

 

Таблица 2

Основные технические и метрологические характеристики

влагомеров

 

Наименование характеристики	ВПК-12	ИВ-1		ДВС-2М*
Диапазон показаний, %	6-100	6-24		8-60
Погрешность измерения, %, не более в диапазоне: 6 - 12% 12 - 30%	+ 2,0 + 2,5	+ 3,5 + 3,5		+ 2,0 + 5,0
Тип датчика	Игольчатый
Породы древесины	Сосна, ель, береза, бук, дуб
Вид индикации	Цифровой			По переводным таблицам
Коррекция показаний на температуру и на породу	Полуавтоматическая			По таблицам
Вид питания	Автономное			От встроенного генератора
Масса, кг	3,5		0,45	2,0

 

* Разработка СвердНИИПДрев, в качестве измерителя сопротивления древесины используется серийный мегаомметр типа М1102/1 или М4100/1-4; предназначен для дистанционного измерения влажности древесины в процессе сушки.

 

У поступающего на предприятия сырья кора (сосна, ель, береза) имеет влажность равную 60-70%, у сплавной древесины влажность коры в 3-4 раза больше сырья сухопутной поставки.

По высоте ствола влажность заболони в хвойных породах увеличивается в направлении от комля к вершине, а влажность ядра остается практически без изменения. В стволах ядровых лиственных пород (дуб, ясень, вяз) влажность ядра вверх по стволу слегка понижается, а влажность заболони почти не изменяется, у лиственных заболонных пород (осина, липа) влажность увеличивается от комля к вершине.

Влажность коры у сосны в нижней части ствола на 60-70 % меньше, чем в средней и вершинной. У ели и березы влажность коры по высоте ствола примерно одинакова. Наибольшая влажность заболони почти у всех деревьев наблюдается зимой на 25-50% выше, чем летом. А влажность ядра (спелой древесины) остается почти неизменной.

В течение суток влажность заболони также меняется: наибольшая наблюдается утром, вечером и днем она меньше. Так, в заболони ели утром влажность составляла 182 %, в полдень - 132 %, а вечером - 150%. Влажность луба у хвойных пород в 7 раз, а у березы - в 10 раз больше, чем у древесины.

Связанная и свободная вода. В древесине различают две формы воды - связанную (гигроскопическую) и свободную. Связанная вода находится в стенках клеток, а свободная содержится в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Принято называть древесину влажной, если она содержит только связанную влагу и сырой, если она содержит, кроме связанной и свободную воду.

Предел насыщения клеточных стенок W _п.н. - это максимальная влажность клеточных стенок, достигаемая при увлажнении древесины в воде. Он характеризуется равновесием влажности клеточных стенок с водой, находящейся в полостях клеток у сырой древесины. При расчетах обычно принимают, что W _п.н. = 30%. Однако эта величина колеблется и зависит от плотности древесины. У малоплотных пород отклонения могут достигать 10-15%. У других пород это еще предстоит узнать.

Предел гигроскопичности W _п.г. - это максимальная влажность стенок, достигаемая при сорбции; характеризуется отсутствием воды в полостях клеток и равновесием влажности клеточных стенок с воздухом, приближающемся к насыщенному состоянию (при j (фи) = 0,995). В то время, как на величину предела насыщения клеточных стенок изменение температуры практически не оказывает влияния, предел гигроскопичности с повышением температуры заметно снижается и, например, при 100 ^оC составляет 19-20%.

При комнатной температуре можно принять, что предел насыщения клеточных стенок практически равен пределу гигроскопичности, т.е. W _п.г. = 30%.

При выдерживании древесины в воздухе определенного состояния ее влажность становится устойчивой или равновесной - W _р. И зависит она от температуры и относительной влажности воздуха (степени насыщенности влагой) - j, которая может изменяться от 0 до 1,0 (или при относительной влажности воздуха от 0 до 100%). Величина устойчивой влажности древесины, длительно выдержанной при определенных значениях и, практически одинакова для всех пород, но несколько зависит от процесса. Если древесина поглощает влагу из воздуха (сорбция), то устойчивая влажность, оказывается меньше той, которая достигается в том случае, когда древесина отдает влагу в воздух (десорбция). Эту разницу между устойчивыми влажностями принято называть гистерезисом сорбции. У сортиментов толщиной более 15 мм и шириной более 100 мм гистерезис сорбции составляет около 2,5%.

Таким образом, равновесная влажность досок и других крупных сортиментов меньше устойчивой влажности десорбции, но больше устойчивой влажности сорбции примерно на 1,3%. Связи между равновесной влажностью древесины W _р, температурой и насыщенностью пара j  в воздухе отражает диаграмма профессора Кречетова И.В. на рис. 11. Например, при t = 20 ^оC и j  = 0,6 (D t = 5 ^оC) W _р = 11,2%.

 

 

Рис. 11. Диаграмма для определения величины равновесной влажности древесины в координатах t, D t - W _р

 

Метод определения W _р более простой, поскольку он позволяет по показаниям психрометра в камере (параметры воздуха t _с и D t) непосредственно определять искомое значение равновесной влажности.

Дополнительным преимуществом диаграмм по сравнению с другими в том, что можно определять и насыщенность пара j  в воздухе.

В практике по степени влажности различают древесину: мокрую, длительное время находившуюся в воде (W > 100%); свежую (свежесрубленную), сохранившую влажность растущего дерева (W = 50-100%); древесину атмосферной сушки (воздушно-сухую) (W = 15-20%), высушенную и выдержанную на открытом воздухе; древесину камерной сушки (комнатно-сухую) высушенную в камере или выдержанную в отапливаемом помещении (W = 8-12%); абсолютно сухую, высушенную при t = 103 ± 2 ^оC (W = 0%).

Усушка. Усушкой называется уменьшение линейных размеров и объема древесины при ее высыхании. Она начинается тогда, когда начинает удаляться связанная влага (от 30% влажности). Усушка по разным направлениям различна.

Поскольку целлюлоза (клетчатка) представлена в стенках клетки в виде волоконец - микрофибрилл, которые в свою очередь расположены преимущественно вдоль оси клетки, а связанная влага заполняет промежутки между ними, то при ее испарении изменяются поперечные размеры в радиальном и тангенциальном направлениях (происходит усыхание стенок клетки).

В тангенциальном направлении усушка в 1,5...2 раза больше, чем в радиальном. Численные значения следующие: полная усушка в тангенциальном направлении от 8 до 10%; в радиальном - от 3 до 7%; вдоль волокон - 0,1-0,3%.

Полная объемная усушка равна сумме, т.е. равна 12-15%. Экспериментальное определение усушки проводят согласно ГОСТ 16483.37-80 и ГОСТ 16483.38-80.

Формула для вычисления полной усушки, %, имеет вид

 

                                      (3)

 

где b _mах и b _min - размер, мм, или объем, мм³, образца соответственно при влажности равной или выше предела насыщения клеточных стенок и в абсолютно сухом состоянии.

Таким образом, полная усушка наблюдается при снижении влажности древесины от 30 % до 0.

В инженерной практике удобно пользоваться коэффициентом усушки, который представляет собой величину усушки при снижении влаги на 1%:

Коэффициент усушки К _b, вычисляют по формуле

 

.                                              (4)

 

По стандарту принято, что усушка пропорциональна падению влажности, а W _п.н = 30%.

Кроме описанного способа измерения максимальной усушки предусматривается определение частичной усушки при высыхании древесины до нормализованной влажности, равной обычно 12%.

Формула для вычисления этой частичной усушки (в %) имеет вид

 

 ,                                   (5)

 

где а ₁₂ - размер, мм или объем, мм³ ,образца при нормализованной влажности.

Об усушке древесины наиболее распространенных пород можно судить по данным, приведенным в табл. 3.

 

Таблица 3

Коэффициенты усушки К _β и разбухания К _α древесины, % влажности

 

Порода	По объему		По радиальному направлению		По тангенциальному направлению
	К β	К α	К β	К α	К β	К α
Лиственница	0,52	0,60	0,19	0,20	0,35	0,38
Сосна	0,44	0,51	0,17	0,18	0,28	0.31
Ель	0,43	0,50	0,16	0,17	0,28	0,31
Пихта сибирская	0,39	0,44	0,11	0,11	0,28	0,31
Кедр	0,37	0,41	0,12	0,12	0,25	0,27
Береза	0,54	0,65	0,27	0,29	0,31	0,34
Бук	0,48	0,56	0,18	0,19	0,32	0,35
Ясень	0,45	0,52	0,18	0,19	0,28	0,31
Дуб	0,43	0,50	0,18	0,19	0,27	0,29
Осина	0,41	0,47	0,14	0,15	0,28	0,30
Клен	0,46	0,54	0,19	0,20	0,29	0,32

 

Коэффициент усушки К _β можно вычислить по коэффициенту разбухания К _α (принимая W _п.н = 30 %) по формуле:

 

,                                       (6)

 

Поэтому в табл. 3 наряду c коэффициентами разбухания К _α из таблицы рекомендуемых справочных данных даны пересчитанные по формуле (4) средние значения коэффициентов усушки К _β. Как утверждает профессор Уголев Б.Н. это сильно изменчивые величины. Коэффициент вариации для этих показателей поперек волокон равен 28%.

При необходимости по формуле, аналогичной (5), можно определить частичную усушку β _wпри снижении влажности до любого значения W < W _п.н; измерив размер (объем) образца а _w.

Если известны коэффициенты радиальной К _{β r} и тангенциальной К _{β t}, усушки, то, принимая W _п.н = 30 % и пренебрегая усушкой вдоль волокон, можно достаточно точно определить коэффициент объемной усушки формуле

 

К _{β v} = К _{β r} + К _{β t}   – 0,3 К _{β r} К _{β t},.                         (7)

 

Усушку в промежуточном направлении между радиальным и тангенциальным значением можно найти по формуле

 

β₀ = β _t sin² Θ+ β _r  соs² Θ,                               (8)

 

где Θ - угол между направлением измерения и радиальным направлением.

В зарубежных руководствах приводятся данные о величине усушки древесины при снижении влажности с 20 до 5 %. В случае использования этих данных для расчета усушки при меньшем падении влажности следует принимать другой коэффициент усушки, который отличается от стандартного К _β, вычисленного по формуле (4), так как усушка имеет нелинейную зависимость от влажности и не всегда начинается от W = 30 %.

От усушки следует отличать сморщивание древесины (коллапс), которое происходит у нагретой древесины вследствие удаления свободной воды при влажности W > W _п.н.

Усушку древесины учитывают при распиловке бревен на доски (припуски на усадку), сушке пиломатериалов, шпона и т.д.

Внутренние напряжения в древесине. Полные напряжения в древесине при удалении связанной влаги удобно рассматривать как совокупность двух составляющих - влажностных и остаточных напряжений. Влажностные напряжения вызваны неоднородной усушкой материала. В поверхностных зонах доски, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки (недозволенная усушка) возникают растягивающие напряжения, а внутри доски - сжимающие. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. В основном они образуются из-за перерождения части упругих деформаций в «замороженные» остаточные (следствие увеличения жесткости нагруженной древесины при сушке).

Остаточные напряжения в отличие от влажностных не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после ее полного завершения.

Знаки влажностных и остаточных напряжений противоположны, и результирующие полные напряжения представляют собой алгебраическую сумму. В первый период сушки влажностные напряжения больше остаточных и полные напряжения проявляются как растягивающие у поверхности доски и как сжимающие - внутри. Во второй период остаточные напряжения превышают влажностные и результирующие напряжения меняют знак.

Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, появляются трещины, Так образуются поверхностные трещины (рис. 12. а, б) в начале сушки и внутренние трещины (свищи) (рис. 12. в) в конце сушки. Эти наружные и внутренние трещины обычно имеют радиальное направление, так как разрыв тканей происходит вдоль сердцевинных лучей вследствие сравнительно слабой связи между древесинными волокнами и сердцевинными лучами. Растрескивание бревен и крупных брусьев происходит из-за напряжений, обусловленных различием тангенциальной и радиальной усушек.

 

       а                       б                       в                        г

 

Рис. 12. Растрескивание древесины и силовые секции:

а - наружные трещины в бревне; б - то же, в доске; в - внутренние трещины; г - силовые секции

 

Внутренние напряжения, сохраняющиеся в высушенном материале (остаточные напряжения), могут быть причиной изменения заданной формы деталей при механической обработке древесины.

Из-за внутренних напряжений усадка поверхностных и внутренних зон доски (т.е. фактическое уменьшение размеров) отличается от их свободной усушки.

Внутренние напряжения в древесине могут быть легко обнаружены при помощи силовых секций. Для этого из доски выпиливают секцию, два размера которой определяются сечением сортимента, а третий размер (по длине волокон) равен 10-15 мм. Из секции изготовляют двузубую вилку согласно рис. 12, г. Зубцы сразу же после ее изготовления могут изогнуться наружу, вовнутрь или остаться прямыми, что свидетельствует соответственно о наличии растягивающих, сжимающих напряжений или отсутствии их в поверхностных зонах.

Количественная характеристика внутренних напряжений может быть дана с помощью метода, разработанного Б.Н. Уголевым для измерения остаточных напряжений в древесине с выровненной влажностью. По этому, стандартизированному методу (ГОСТ 11603-73) из доски выпиливают рядом две секции толщиной (по волокну) 15 мм. После выравнивания влажности одну из секций раскалывают параллельно ее длине на слои толщиной 4 мм. Измерением длины этих слоев до и после раскроя определяют изменение их размеров и находят относительную деформацию ε каждого слоя. Вторую секцию распиливают на образцы толщиной 8-10 мм, которые служат для определения модуля упругости Е при статическом изгибе. Средние напряжения для каждого слоя, МПа, вычисляют по формуле

 

.                                                 (9)

По полученным данным строят кривую распределения - эпюру напряжений по толщине сортимента (рис. 13).

 

 

Рис.13. Эпюра остаточных напряжений в берёзовом образце

(по Сергееву В.В.):

 

 

Остаточные напряжения после камерной сушки значительно выше, чем после атмосферной. В лиственных пиломатериалах остаточные напряжения больше, чем в хвойных. Так, в сосновых досках сжимающие остаточные напряжения в поверхностных слоях достигали 4,4 МПа, а растягивающие во внутренней зоне - 1,7 МПа, в то время как в буковых досках сжимающие напряжения равнялись 7,2 МПа.

С некоторыми усложнениями описанный метод может быть применен для измерения полных внутренних напряжений в древесине в процессе атмосферной сушки или при камерной сушке и использовании охлажденных секций. Внутренние напряжения могут появляться в древесине не только при сушке, но и при пропитке ее жидкостями, а также в процессе роста дерева.

Коробление древесины. Изменение заданной формы пиломатериалов и заготовок при сушке, а также выпиловке и хранении называется короблением. Поперечная покоробленность зависит от различий в радиальной и тангенциальной усушке. Ориентация наружной пласти доски ближе к чисто тангенциальному направлению, а внутренней - к радиальному, поэтому сечение досок принимает желобчатую форму. Покоробленность досок из данного бревна тем больше, чем ближе к сердцевине расположена доска.

Продольная покоробленность возникает из-за различий в усушке по длине волокон. Покоробленность по кромке и пласти встречается, например, у досок, включающих участки креневой (порок древесины) или примыкающей к сердцевине молодой (ювенильной) древесины, которые обладают большей усушкой вдоль волокон, чем нормальная древесина.

Крыловатость появляется у древесины с наклоном волокон (порок строения). Временное поперечное коробление происходит из-за неравномерного высыхания досок. При сушке коробление досок можно уменьшить путем приложения внешних усилий (от веса вышележащих частей штабеля или при помощи прижимов). В высушенном материале из-за нарушения равновесия остаточных напряжений происходит коробление при несимметричном строгании (фрезеровании) досок или их ребровом делении. Формы различных видов коробления и крыловатости показаны в разделе пороков древесины на рис. 45.

Причиной коробления досок может являться неправильная укладка их в штабеля при атмосферной и камерной сушке, увлажнение при хранении и др. Коробление относится к порокам древесины. Оно вызывает существенные технологические и эксплуатационные трудности при использовании древесины.

Влагопоглощение. Способность древесины вследствие ее гигроскопичности поглощать влагу (пары воды) из окружающего воздуха называется влагопоглощением. Процесс влагопоглощения складывается из сорбции паров воды основными органическими веществами клеточной стенки и перемещения образовавшейся связанной воды вглубь древесины. Сорбция, в свою очередь, включает явления адсорбции и микрокапиллярнойконденсации. При соприкосновении влажного воздуха с абсолютно сухой древесиной на поверхности мельчайших структурных образований из целлюлозы, лигнина и гемицеллюлоз концентрируются молекулы воды. Сначала происходит связывание влаги в мономолекулярном слое (толщиной в одну молекулу воды), который особенно прочно удерживается органическими веществами древесины.

Затем появляется полимолекулярный слой с постепенно убывающей прочностью связей между молекулами воды и компонентами древесины. Так образуется адсорбционная вода, по своим свойствам отличающаяся от обычной воды.

Адсорбционная вода по упругим свойствам похожа на твердое тело, она не растворяет обычно растворимые в воде вещества, не электропроводна, по диэлектрической проницаемости близка к древесине, а по теплоемкости - ко льду. Мономолекулярные слои адсорбционной воды в древесине не замерзают даже при температуре – 40 ^оC.

Кроме явления адсорбции происходит конденсация паров воды в микрокапиллярах (микроуглублениях) клеточной стенки. При W =100% влажность древесины достигает предела гигроскопичности, который, как указывалось выше, при комнатной температуре в среднем равен 30%, а при повышении температуры снижается примерно на 0,1% на 10 ^оС. Влагопоглощение ядра и заболони примерно одинаково. По сорбционной способности кора мало отличается от древесины.

Влажность измельченной древесины, которая может быть достигнута в процессе влагопоглощения при разной температуре, определяется по диаграмме равновесной влажности (см. рис. 11). С учетом гистерезиса сорбции по этой же диаграмме можно установить и равновесную влажность крупных сортиментов при увлажнении в воздухе. Для получения сравнительной характеристики хода процесса увлажнения древесины проводят испытания в соответствии с требованиями ГОСТ 16483.19-72.

Образцы древесины, высушенные до абсолютно сухого состояния, помещают в эксикатор, куда на дно наливается насыщенный раствор соды (при этом W = 92%). Применение этого раствора вместо чистой воды уменьшает вероятность конденсации паров при колебаниях температуры во время испытаний. Определение текущей влажности производят в течение 30 суток, затем строят график «влажность древесины - время выдержки».

Полученные данные характеризуют поглощение влаги из воздуха и служат наглядным примером того, что при хранении высушенной древесины необходимо учитывать состояние окружающего воздуха с учетом гистерезиса сорбции (минус 1,2%). Способность к поглощению влаги - отрицательное свойство древесины. Высушенная древесина в изделиях «дышит», изменяя содержание связанной воды при колебаниях температуры и относительной влажности окружающего воздуха. Это ухудшает ее физико-механические свойства и приводит к ряду нежелательных явлений.

Создаваемые на поверхности деталей и изделий декоративные покрытия из лакокрасочных и пленочных материалов выполняют вла-гозащитные функции. Однако более радикальное средство уменьшения гигроскопичности древесины - ее модификация путем пропитки искусственными смолами.

Разбухание. Увеличение связанной воды в древесине сопровождается увеличением ее линейных размеров и объема. Это явление называется разбуханием - свойство, обратное усушке, подчиняющееся в основном тем же закономерностям. Экспериментальные определения полного, радиального, тангенциального и объемного разбухания проводят согласно ГОСТ 83.35-80, используя оборудование и процедуру (в иной последовательности), применяемые для определения усушки. Однако способы вычисления показателей другие.

Полное разбухание, %, вычисляют, округляя результат до 0,1%, по формуле

 

,                                   (10)

где а ₁₂ - размер, мм, или объем, мм³, образца при нормализованной влажности.

При необходимости по формуле (10) можно вычислить частичное разбухание в случае повышения влажности до любого другого значения.

Средние значения коэффициентов разбухания древесины основных пород в радиальном и тангенциальном направлениях, а также по объему приведены выше в табл. 3. Так же, как и усушка, наибольшее разбухание древесины наблюдается в тангенциальном направлении поперек волокон, а наименьшее - вдоль волокон.

Разбухание - отрицательное свойство древесины, но в некоторых случаях оно приносит пользу, обеспечивая плотность соединений (в бочках, судах и т.д.).

Водопоглощение. У погруженной в воду древесины вследствие пористого строения увеличивается влажность. Максимальная влажность ее в этом случае определяется суммой наибольшего количества связанной воды (предела насыщения клеточных стенок) и количества свободной воды, которое зависит от объема пустот в древесине. Поэтому чем больше плотность древесины, тем меньше ее максимальная влажность.

Максимальная влажность, %, может быть определена по формуле

 

,                               (11)

 

где W _п.н. - предел насыщения клеточных стенок, %; ρ _д.в. - плотность древесинного вещества, г/см³; ρ ₀ - плотность древесины в абсолютно сухом состоянии, г/см³; ρ _в - плотность поды, г/см³.

Если не известно значение W _п.н., то максимальную влажность, %, можно вычислить по другой формуле:

 

                              (12)

 

где ρ _б - базисная плотность древесины, г/см³.

Расчетные значения W _max для отечественных пород находятся в диапазоне 100...270%. Они несколько выше найденных экспериментально, так как не все пустоты внутри древесины заполняются водой из-за наличия смолы, закупорки сосудов тиллами и т.д. Чем крупнее образцы, тем медленнее процесс водопоглощения. Образцы с развитой торцовой поверхностью поглощают воду достаточно быстро. Этот процесс ускоряется с повышением температуры. Количество поглощенной воды зависит от породы древесины, начальной влажности образца. Заболонь поглощает больше воды, чем ядро.

Экспериментальным путём способность древесины поглощать воду, устанавливается согласно методу, регламентированному ГОСТ16483.20-72. Способность древесины поглощать воду, а также другие жидкости имеет значение в процессах варки древесины для получения целлюлозы, при пропитке растворами антисептиков и антипиренов, при сплаве лесоматериалов и в ряде других случаев.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие понятия характеризуют внешний вид древесины?

2. Что такое влажность древесины?

3. Назвать виды влаги в древесине.

4. Охарактеризовать понятие равновесной влажности.

5. Что такое усушка и разбухание?

 

 

Плотность

 

Плотность характеризуется массой единицы объема материала и имеет размерность кг/м³ или г/см³.

Плотность древесинного вещества, представляет собой массу единицы объема материала, образующего клеточные стенки древесины. Поскольку элементный химический состав практически не зависит от породы и мало отличается по плотности, плотность древесинного вещества в целом должна быть одинакова.

Этот показатель равен для всех пород 1,53 г/см³ и определяется по формуле

 

                                         (13)

 

где m _д.в. и V _д.в. - соответственно масса, г, и объем, см³, древесинного вещества.

Плотность абсолютно сухой древесины характеризует массу единицы объёма при отсутствии в ней воды. Этот показатель вычисляют по формуле